地外天體形貌測(cè)繪研究現(xiàn)狀與展望

徐 青，耿 迅

（1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，鄭州 450052；2.河南大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，開封 475004；3.河南大學(xué) 河南省時(shí)空大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，鄭州 475000）

引 言

深空探測(cè)中的一個(gè)重要科學(xué)目標(biāo)是通過(guò)航天遙感測(cè)繪手段獲得高精度、高分辨率的地外天體形貌測(cè)繪產(chǎn)品，從而為后續(xù)的一系列探測(cè)活動(dòng)提供基礎(chǔ)形貌數(shù)據(jù)保障[1-4]。地外天體的形貌測(cè)繪產(chǎn)品主要用于著陸區(qū)（或采樣區(qū)）選址、飛行導(dǎo)航、路徑規(guī)劃等深空探測(cè)工程任務(wù)以及行星地質(zhì)構(gòu)造、形貌特征、演化歷史等科學(xué)研究[5-7]。與對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的測(cè)繪技術(shù)相比，地外天體形貌測(cè)繪蘊(yùn)含著綜合、復(fù)雜的理論技術(shù)體系，涉及天文、導(dǎo)航、航天、測(cè)繪、測(cè)控等多個(gè)學(xué)科交叉、相互滲透的理論知識(shí)和技術(shù)方法[1,8]。

近年來(lái)，中國(guó)成功實(shí)施了“嫦娥”系列月球探測(cè)工程與“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)工程[9-11]。結(jié)合深空探測(cè)工程任務(wù)，中國(guó)的地外天體形貌測(cè)繪技術(shù)也迅速發(fā)展，從早期使用國(guó)外公開數(shù)據(jù)的算法驗(yàn)證階段進(jìn)入到依靠自主探測(cè)數(shù)據(jù)的行星遙感制圖階段，制作的地外天體形貌測(cè)繪產(chǎn)品很好地支撐了月球、火星探測(cè)任務(wù)的著陸區(qū)選址、著陸導(dǎo)航、巡視勘察等工程任務(wù)[12-17]。深空探測(cè)與行星科學(xué)緊密結(jié)合，當(dāng)前中國(guó)正在實(shí)施從深空探測(cè)大國(guó)邁向行星科學(xué)強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型[18]，而深層次的行星科學(xué)研究也需要高精度、高分辨率的地外天體形貌測(cè)繪產(chǎn)品作為支撐[19-21]。然而，由于受到制圖產(chǎn)品不足、數(shù)據(jù)處理周期長(zhǎng)等因素的制約，許多行星科學(xué)研究只能使用早期的低分辨率制圖產(chǎn)品或者未經(jīng)幾何處理的原始遙感數(shù)據(jù)。因此，仍然需要進(jìn)一步加強(qiáng)地外天體形貌測(cè)繪技術(shù)的研究與應(yīng)用。

地外天體形貌測(cè)繪包含軌道器遙感制圖以及巡視器導(dǎo)航相機(jī)、地形相機(jī)的就位探測(cè)制圖，本文重點(diǎn)論述軌道器遙感制圖技術(shù)及產(chǎn)品。第1～3節(jié)分別介紹月球、火星與小行星的形貌測(cè)繪成果，第4節(jié)針對(duì)中國(guó)開展地外天體形貌測(cè)繪給出了幾點(diǎn)建議。本文主要介紹利用測(cè)繪相機(jī)以及激光高度計(jì)獲取的遙感數(shù)據(jù)開展地外天體形貌測(cè)繪的相關(guān)處理技術(shù)及遙感制圖產(chǎn)品，不涉及行星地質(zhì)圖繪制。

1 月球形貌測(cè)繪

20世紀(jì)六、七十年代，美國(guó)和前蘇聯(lián)實(shí)施了多次月球探測(cè)任務(wù)，月球形貌測(cè)繪技術(shù)得到初步應(yīng)用并迅速發(fā)展。1971—1972年實(shí)施的“阿波羅15號(hào)”（Apollo 15）～“阿波羅17號(hào)”（Apollo 17）任務(wù)均攜帶了測(cè)量型相機(jī)用于繪制月面地形圖，并且同步使用激光高度計(jì)獲取探測(cè)器至月面的距離信息輔助攝影測(cè)量處理。近年來(lái)，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（United States Geological Survey，USGS）等機(jī)構(gòu)重新對(duì)Apollo 15～17任務(wù)獲取的膠片式影像進(jìn)行數(shù)字化處理，并制作了分辨率約為30 m/像素的局部區(qū)域數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）與數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）[22]。美國(guó)于1994年1月發(fā)射了“克萊門汀號(hào)”（Clementine）月球探測(cè)器，攜帶了紫外線/可見(jiàn)光相機(jī)（Ultraviolet/Visible Camera，UVVIS）、近紅外相機(jī)（Near Infrared Camera，NIR）等光學(xué)儀器以及激光測(cè)高儀，利用獲取的遙感數(shù)據(jù)制作了“克萊門汀”月球控制網(wǎng)（the Clementine Lunar Control Network，CLCN），基于43 000張UVVIS影像制作了分辨率為100 m/像素的全月數(shù)字正射影像圖[23]。2005年月球統(tǒng)一控制網(wǎng)（The Unified Lunar Control Network 2005，ULCN2005）是基于43 866幅克萊門汀影像的攝影測(cè)量處理以及早期的月球控制網(wǎng)建立的，共包含272 931個(gè)地面控制點(diǎn)；與CLCN相比，ULCN2005通過(guò)求解控制點(diǎn)的高程值進(jìn)一步提升幾何精度，其平面精度為100 m～幾km，垂直精度為100 m[24]。美國(guó)于2009年6月發(fā)射了“月球偵察軌道器”（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO），基于LRO寬角相機(jī)（Wide Angle Camera，WAC）影像數(shù)據(jù)制作了分辨率為100 m的近似全月DEM（即GLD100）與全月DOM，GLD100 DEM的覆蓋緯度范圍為-79°～79°[25]。LRO攜帶的窄角相機(jī)（Narrow Angle Camera，NAC）可以獲取分辨率為0.5～2 m的月面影像，經(jīng)過(guò)十多年的持續(xù)觀測(cè)，NAC影像數(shù)量已經(jīng)超過(guò)一百萬(wàn)張，能夠覆蓋月球表面大部分區(qū)域[26]。LRO上搭載的激光高度計(jì)（Lunar Orbiter Laser Altimeter，LOLA）的測(cè)距精度為±10 cm，高程精度為±1 m，基于LOLA數(shù)據(jù)制作了240 、120、60 m等不同格網(wǎng)間距的全月DEM，LOLA DEM作為目前精度最高的月球高程控制數(shù)據(jù)，廣泛應(yīng)用于月球遙感制圖領(lǐng)域[27]。

21世紀(jì)以來(lái)，月球探測(cè)掀起新高潮，更多的國(guó)家或航天機(jī)構(gòu)加入到了月球探測(cè)陣營(yíng)。2007年9月，日本發(fā)射了“月女神”（SELenological and ENgineering Explorer，SELENE）月球探測(cè)器，搭載了線陣推掃式地形測(cè)繪相機(jī)（Terrain Camera，TC）、多光譜相機(jī)（Multiband Imager，MI）與激光高度計(jì)（LAser ALtimeter，LALT），TC相機(jī)可以獲取空間分辨率為10 m/像素的月面影像，通過(guò)融合TC影像與LRO LOLA激光測(cè)高數(shù)據(jù)，制作了分辨率為512像素/（°）（赤道區(qū)域分辨率約60 m/像素）的近似全月DEM（即SLDEM2015），覆蓋緯度范圍為-60°～60°，高程精度為3～4 m，基于MI影像數(shù)據(jù)制作了近似全月的多光譜影像拼圖，分辨率約為59 m，覆蓋±65°緯度區(qū)域[28-29]。

印度于2008年10月發(fā)射了“月船一號(hào)”（Chandrayaan-1）探測(cè)器，搭載了三線陣地形測(cè)繪相機(jī)（Terrain Mapping Camera，TMC）與激光測(cè)距儀（Lunar Laser Ranging Instrument，LLRI），TMC的影像分辨率為5 m/像素，LLRI的測(cè)距精度優(yōu)于±5 m[30]。文獻(xiàn)[31]介紹了利用Chandrayaan-1 TMC立體影像制作DEM（格網(wǎng)間距為25 m）的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果。文獻(xiàn)[32]基于有理函數(shù)模型方法對(duì)TMC立體影像進(jìn)行了攝影測(cè)量處理，由于未使用高程控制數(shù)據(jù)，生成的DEM與LOLA DEM之間有1～2 km的系統(tǒng)誤差。印度的“月船二號(hào)”（Chandrayaan-2）探測(cè)器于2019年7月發(fā)射，雖然著陸任務(wù)失敗，但是軌道器仍然在軌運(yùn)行，搭載的TMC2立體測(cè)繪相機(jī)的技術(shù)指標(biāo)與TMC類似，另外還搭載了一臺(tái)軌道器高分辨率相機(jī)（Orbiter High Resolution Camera，OHRC）用于局部區(qū)域的精細(xì)制圖，其下視影像的空間分辨率為0.25 m/像素，傾斜25°進(jìn)行立體攝影時(shí)的空間分辨率優(yōu)于0.32 m/像素[33]。印度雖然也制訂了生產(chǎn)月球全球DOM與DEM的計(jì)劃，但是目前仍未發(fā)布相關(guān)產(chǎn)品。

中國(guó)的月球探測(cè)任務(wù)起步較晚，卻在較短的時(shí)間內(nèi)取得了舉世矚目的成就?！版隙鹨惶?hào)”（CE-1）探測(cè)器于2007年10月發(fā)射，文獻(xiàn)[14]利用CE-1激光高度計(jì)（Laser Altimeter，LAM）獲取的約912萬(wàn)個(gè)有效探測(cè)數(shù)據(jù)制作了空間分辨率為3 km的全月DEM，平面精度為445 m，高程精度為60 m。文獻(xiàn)[12]對(duì)CE-1獲取的三線陣CCD影像數(shù)據(jù)進(jìn)行攝影測(cè)量處理，制作了分辨率為120 m/像素的全月DOM以及500 m格網(wǎng)間距的全月DEM，并且繪制了比例尺為1∶250萬(wàn)（等高距500 m）的全月球數(shù)字地形圖?！版隙鸲?hào)”（CE-2）探測(cè)器于2010年10月發(fā)射，利用CE-2立體影像數(shù)據(jù)進(jìn)行攝影測(cè)量處理，并使用5個(gè)月面激光反射器的已知位置作為絕對(duì)控制點(diǎn)，制作了C E-2全月地形產(chǎn)品（即CE2TMap2015），包括7、20、50 m 3種不同分辨率的DEM與DOM，平面相對(duì)位置精度為5 m，高程相對(duì)位置精度為2 m，通過(guò)與激光反射器的月面位置進(jìn)行對(duì)比，平面絕對(duì)位置精度為21～97 m，高程絕對(duì)位置精度為2～19 m，CE2TMap2015全月地形產(chǎn)品的空間分辨率、全月覆蓋率等指標(biāo)優(yōu)于國(guó)外同類制圖產(chǎn)品[34]。

就月球局部區(qū)域遙感制圖制圖，文獻(xiàn)[35]利用765幅LRO NAC影像制作了分辨率為1.5 m/像素的“嫦娥五號(hào)”（CE-5）著陸區(qū)正射影像拼圖，平面相對(duì)位置精度優(yōu)于1個(gè)像元。LROC（Lunar Reconnaissance Orbiter Camera）團(tuán)隊(duì)使用USGS ISIS行星遙感影像處理軟件對(duì)10 581張LRO NAC影像進(jìn)行幾何糾正處理，利用格網(wǎng)間距為30 m的LOLA DEM作為參考，制作了北緯60°到北極點(diǎn)的大范圍影像拼圖，分辨率為2 m/像素[36]。文獻(xiàn)[37]利用陰影恢復(fù)形狀（Shape from Shading，SfS）技術(shù)進(jìn)行月球表面局部區(qū)域的高精細(xì)制圖，可以生成逐像素分辨率的DEM數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[38]融合攝影測(cè)量與SfS技術(shù)，利用LRO NAC影像制作了“嫦娥四號(hào)”（CE-4）、CE-5著陸區(qū)的高分辨率DEM產(chǎn)品。

深空探測(cè)巡視器上的導(dǎo)航、地形相機(jī)也可以用于繪制著陸區(qū)或者巡視區(qū)域的制圖產(chǎn)品，輔助探測(cè)任務(wù)的路徑規(guī)劃以及行星科學(xué)分析。文獻(xiàn)[39]分析了CE-3導(dǎo)航相機(jī)的測(cè)圖能力，研發(fā)了基于導(dǎo)航相機(jī)立體影像的三維地形快速重建算法，并應(yīng)用于CE-3巡視器的路徑規(guī)劃。文獻(xiàn)[40]利用CE-4巡視器導(dǎo)航相機(jī)影像數(shù)據(jù)自動(dòng)生成了2 cm/像素的DEM與DOM數(shù)據(jù)，用于巡視區(qū)域的障礙物識(shí)別以及路徑規(guī)劃。文獻(xiàn)[41]綜合利用CE-2正射影像、LRO NAC正射影像以及CE-4降落相機(jī)、監(jiān)視相機(jī)影像進(jìn)行特征匹配與視覺(jué)測(cè)量處理，確定CE-4著陸點(diǎn)位置為（177.588°E，45.457°S）。

雖然月球全球形貌測(cè)繪產(chǎn)品的精度與分辨率已經(jīng)得到不斷提升，但是不同探測(cè)任務(wù)制作的測(cè)繪產(chǎn)品由于參考基準(zhǔn)、控制數(shù)據(jù)以及處理方法的差異，存在不同程度的幾何誤差?；贑E-2、SELENE、Chandrayaan-1/2與LRO NAC、LOLA等遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，理論上能夠制作出分辨率為2～5 m/像素的全月DOM以及更高分辨率的全月DEM，將進(jìn)一步促進(jìn)月球科學(xué)研究，但是涉及數(shù)百萬(wàn)張影像的多探測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)融合處理仍然是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的研究課題。文獻(xiàn)[42]提出了利用多探測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)構(gòu)建新一代月球全球控制網(wǎng)的總體技術(shù)框架。表1列出了典型月球探測(cè)任務(wù)的遙感制圖產(chǎn)品。

表1 典型月球探測(cè)任務(wù)遙感制圖產(chǎn)品Table 1 Typical lunar exploration projects and lunar mapping products

2 火星形貌測(cè)繪

火星形貌測(cè)繪技術(shù)一直是深空測(cè)繪領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[2，43]。美國(guó)于20世紀(jì)70年代成功實(shí)施了“海盜1號(hào)”（Viking 1）與“海盜2號(hào)”（Viking 2）火星探測(cè)任務(wù)，兩個(gè)“海盜號(hào)”探測(cè)器均攜帶了（Visual Imaging System，VIS）相機(jī)，共獲取超過(guò)6萬(wàn)張影像數(shù)據(jù)。針對(duì)“海盜號(hào)”任務(wù)的遙感數(shù)據(jù)處理工作從20世紀(jì)70年代末一直持續(xù)至20世紀(jì)初。USGS制作了1∶500萬(wàn)、1∶200萬(wàn)比例尺火星全球地形圖以及1∶200萬(wàn)～1∶5萬(wàn)等多種不同比例尺的局部區(qū)域地形圖。USGS基于“海盜號(hào)”影像制作了分辨率為231 m/像素的火星全球數(shù)字影像圖（Mars Digital Image Model，MDIM1.0），位置精度約±6 km。20世紀(jì)初，USGS又使用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)對(duì)“海盜號(hào)”影像進(jìn)行處理，并于2004年發(fā)布了新版本的MDIM 2.1，包括全色與彩色火星全球DOM，分辨率為231 m/像素，位置精度提升至200 m（約1個(gè)像素）[44-45]。美國(guó)“火星全球勘測(cè)者”（Mars Global Surveyor，MGS）探測(cè)器于1996年11月發(fā)射，搭載了火星軌道器相機(jī)（Mars Orbiter Camera，MOC）以及激光高度計(jì)（Mars Orbiter Laser Altimeter，MOLA），MOC相機(jī)包括寬角相機(jī)與窄角相機(jī)[3]，共獲取了超過(guò)24萬(wàn)張影像，基于MOLA獲取的超過(guò)6億個(gè)激光點(diǎn)數(shù)據(jù)制作了格網(wǎng)間距約為463 m的火星全球DEM（即MOLA DEM），平面精度約±100 m，高程精度約±1 m[46]。MOLA DEM作為目前精度最高的火星高程控制數(shù)據(jù)，廣泛應(yīng)用于火星遙感制圖領(lǐng)域[47]。美國(guó)“奧德賽”（Odyssey）火星探測(cè)器于2001年4月發(fā)射，亞利桑那州立大學(xué)（Arizona State University）利用熱輻射成像光譜儀（Thermal Emission and Imaging Spectrometer，THEMIS）影像數(shù)據(jù)制作了紅外波段白天的全球DOM以及夜晚的近似全球DOM（覆蓋-60°～60°緯度區(qū)域），影像分辨率約100 m/像素，平面精度約±100 m（即1個(gè)像素）[48]。美國(guó)“火星偵察軌道器”（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO）于2005年8月發(fā)射，搭載了背景相機(jī)（Context Camera，CTX）與高分辨率成像科學(xué)實(shí)驗(yàn)相機(jī)（High Resolution Imaging Science Experiment，HiRISE）。CTX影像的分辨率為6～10 m/像素，已經(jīng)覆蓋約82%的火星表面，HiRISE影像的分辨率最高可達(dá)25 cm/像素[49]，目前僅覆蓋約2.4%的火星表面[50]。MRO仍然在軌運(yùn)行，已傳回超過(guò)110萬(wàn)張HiRISE影像與10萬(wàn)張CTX影像?；贛RO CTX影像數(shù)據(jù)制作了5 m/像素的火星全球DOM拼圖，但是未進(jìn)行整體光束法平差[51]。HiRISE相機(jī)焦平面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由14條線陣CCD拼接而成（10個(gè)紅色波段、2個(gè)藍(lán)綠波段、2個(gè)近紅外波段），文獻(xiàn)[52]建立了HiRISE相機(jī)的嚴(yán)密幾何模型，并處理生成了“勇氣號(hào)”（Spirit）探測(cè)器巡視區(qū)域格網(wǎng)間距為1 m的DEM。文獻(xiàn)[4]介紹了HiRISE影像的幾何檢校、軟件開發(fā)、處理流程，并生成了“鳳凰號(hào)”（Phoenix）探測(cè)器預(yù)選著陸區(qū)格網(wǎng)間距為1 m的DEM。

在火星局部區(qū)域遙感制圖方面，美國(guó)地質(zhì)勘探局（United States Geological Survey，USGS）、美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）等機(jī)構(gòu)基于MGS MOC、MRO CTX、MRO HiRISE影像數(shù)據(jù)制作了大量的預(yù)選著陸區(qū)DOM與DEM產(chǎn)品，用于著陸區(qū)選址以及安全性評(píng)估[53-55]。文獻(xiàn)[56]基于MRO CTX影像制作了39個(gè)區(qū)域的正射影像拼圖，分辨率為5 m/像素，用于未來(lái)載人火星探測(cè)任務(wù)的著陸區(qū)選址。文獻(xiàn)[7]利用MRO CTX影像與MRO HiRISE影像制作了Mars 2020預(yù)選著陸區(qū)〔“耶澤羅”撞擊坑（Jezero crater）〕的高分辨率DEM與DOM產(chǎn)品，用于支持著陸系統(tǒng)的地形相對(duì)導(dǎo)航技術(shù)（Terrain Relative Navigation，TRN），輔助探測(cè)器著陸過(guò)程中的避障操作。

歐洲的“火星快車號(hào)”（Mars EXpress，MEX）探測(cè)器搭載了高分辨率立體相機(jī)（High Resolution Stereo Camera，HRSC），HRSC是多線陣推掃式測(cè)繪相機(jī)，在一個(gè)焦平面上安置了5條全色線陣、4條多光譜線陣（紅、綠、藍(lán)與近紅外）探測(cè)器[57]，下視影像分辨率最高可達(dá)12.5 m/像素，目前分辨率優(yōu)于50 m/像素的影像數(shù)據(jù)已經(jīng)覆蓋約97%的火星表面[58]，但是僅有約30%的HRSC影像處理至Level 4級(jí)DEM、DOM產(chǎn)品。早期的MEX HRSC制圖產(chǎn)品僅進(jìn)行了單個(gè)條帶的平差處理，因此不同條帶之間存在較大的幾何位置誤差，HRSC團(tuán)隊(duì)雖然有計(jì)劃制作火星全球DOM（12.5 m/像素）與DEM（50 m/像素），但是目前僅完成了MC-11的東半部區(qū)域[59]。USGS融合MEX HRSC立體影像與MGS MOLA激光測(cè)高數(shù)據(jù)制作了格網(wǎng)間距為200 m的火星全球DEM，也是目前分辨率最高的火星全球DEM[60]。歐洲的ExoMars 2016 TGO探測(cè)器于2016年3月發(fā)射，搭載的彩色與立體表面成像系統(tǒng)（Colour and Stereo Surface Imaging System，CaSSIS）采用面陣推掃式（push-frame）工作模式，通過(guò)旋轉(zhuǎn)鏡頭實(shí)現(xiàn)立體觀測(cè)，交會(huì)角為22.4°，立體影像攝影時(shí)間差為46.9 s，文獻(xiàn)[61]建立了CaSSIS影像的攝影測(cè)量處理流程，并研發(fā)了相應(yīng)的軟件模塊。

印度“曼加里安號(hào)”（Mangalyaan）火星探測(cè)器于2013年11月發(fā)射，攜帶了火星彩色相機(jī)（Mars Color Camera，MCC）與熱紅外成像光譜儀（Thermal Infrared Imaging Spectrometer，TIS），MCC影像的分辨率為15 m～4 km[62]。文獻(xiàn)[63]介紹了基于MCC影像制作火星表面影像拼圖的過(guò)程，包括輻射處理、幾何處理、SPICE計(jì)算（用于計(jì)算攝影幾何條件）、地形改正等步驟，通過(guò)將MCC影像自動(dòng)配準(zhǔn)至MDIM2.1影像圖獲取控制信息。

阿聯(lián)酋的“希望號(hào)”（Hope）火星探測(cè)器于2020年7月發(fā)射，攜帶有多波段相機(jī)（Emirates eXploration Imager，EXI）、近紅外光譜儀（Emirates Mars InfaRed Spectrometer，EMIRS）以及紫外線光譜儀（Emirates Mars Ultraviolet Spectrometer，EMUS），該任務(wù)主要是對(duì)火星大氣、氣候等開展研究，目前仍未見(jiàn)到相關(guān)制圖產(chǎn)品發(fā)布。

中國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)了“繞、著、巡”探測(cè)，任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)之一是研究火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征，探測(cè)器搭載了中分辨率相機(jī)與高分辨率相機(jī)，中分辨率相機(jī)在400 km軌道高度時(shí)的影像分辨率優(yōu)于100 m[11]，計(jì)劃基于中分辨率相機(jī)影像數(shù)據(jù)制作分辨率為60 m/像素的火星全球DOM。文獻(xiàn)[64]介紹了“天問(wèn)一號(hào)”火星多光譜相機(jī)的地面幾何標(biāo)定工作，先使用張正友標(biāo)定算法提供相機(jī)標(biāo)定參數(shù)初值，然后用改進(jìn)的Heikkil?算法完成精確幾何標(biāo)定。文獻(xiàn)[10]利用現(xiàn)有火星地形、影像數(shù)據(jù)與地質(zhì)單元圖，綜合工程條件約束與科學(xué)價(jià)值，選擇了中國(guó)火星探測(cè)任務(wù)的8個(gè)優(yōu)先著陸區(qū)。中國(guó)科學(xué)院月球與深空探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用“天問(wèn)一號(hào)”軌道器的高分辨率相機(jī)影像數(shù)據(jù)制作了備選著陸區(qū)0.7 m/像素的DOM以及3.5 m/像素的DEM；在此基礎(chǔ)上中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院行星制圖與遙感實(shí)驗(yàn)室以及北京航天飛行控制中心等團(tuán)隊(duì)綜合利用“天問(wèn)一號(hào)”軌道器影像、著陸器下降序列影像以及火星車巡視器影像對(duì)祝融號(hào)火星車著陸點(diǎn)進(jìn)行了精確定位，坐標(biāo)為（109.925°E，25.066°N）[65]。文獻(xiàn)[66]利用500余張MEX HRSC條帶影像進(jìn)行攝影測(cè)量處理，結(jié)合HRSC多線陣影像特點(diǎn)設(shè)計(jì)了連接點(diǎn)控制網(wǎng)自動(dòng)提取與粗差剔除方案，基于DOM影像匹配自動(dòng)分析初始幾何定位精度，并采用二階多項(xiàng)式模型修正外方位元素誤差，制作了分辨率為12.5 m/像素的“天問(wèn)一號(hào)”預(yù)選著陸區(qū)正射影像拼圖，相對(duì)幾何定位精度優(yōu)于1個(gè)像素（見(jiàn)圖1）。

圖1 中國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)任務(wù)預(yù)選著陸區(qū)正射影像拼圖[66]Fig.1 The orthophoto mosaics for candidate landing regions of Chinese Tianwen-1[66]

當(dāng)前火星全球DOM、DEM產(chǎn)品的分辨率仍然在百米級(jí)，還不能很好地滿足火星科學(xué)研究的實(shí)際需要，融合多個(gè)探測(cè)任務(wù)遙感數(shù)據(jù)制作火星全球遙感制圖產(chǎn)品的需求更為迫切?；贛EX HRSC、MRO CTX以及中國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”遙感數(shù)據(jù)有望制作出分辨率為5～50 m/像素的火星全球DOM以及20～100 m/像素的火星全球DEM。由于火星距離地球更遠(yuǎn)且缺少高精度的絕對(duì)控制數(shù)據(jù)，火星遙感制圖與月球遙感制圖相比難度更大。在未獲取火星自主探測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)之前，國(guó)內(nèi)研究人員利用國(guó)外公開的火星探測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)開展預(yù)先研究，在通用相機(jī)模型構(gòu)建、影像幾何糾正、連接點(diǎn)自動(dòng)提取、光束法平差等攝影測(cè)量處理核心技術(shù)方面積累經(jīng)驗(yàn)[67-70]。表2列出了典型火星探測(cè)任務(wù)的遙感制圖產(chǎn)品。

表2 典型火星探測(cè)任務(wù)遙感制圖產(chǎn)品Table 2 Typical Mars exploration projects and Mars mapping products

3 小行星形貌測(cè)繪

小行星較好地保存了太陽(yáng)系早期形成和演化歷史的痕跡，是當(dāng)前國(guó)際深空探測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[71]。獲取小行星表面高精度的遙感制圖產(chǎn)品與三維模型對(duì)于評(píng)估采樣區(qū)的安全性與科學(xué)價(jià)值以及飛行導(dǎo)航等工程操作都具有重要意義。近年來(lái)，以美國(guó)“奧西里斯號(hào)”（OSIRIS-REx）、日本“隼鳥2號(hào)”（Hayabusa 2）為代表的小行星采樣返回任務(wù)均十分重視小行星的遙感制圖工作[72-73]，小行星遙感制圖產(chǎn)品也為工程任務(wù)的順利實(shí)施提供了重要支撐。中國(guó)小行星探測(cè)工程已經(jīng)選定目標(biāo)，即通過(guò)一次探測(cè)任務(wù)實(shí)現(xiàn)近地小行星2016HO3的取樣返回以及主帶彗星133P的繞飛探測(cè)。

美國(guó)首個(gè)小行星探測(cè)器“近地小行星交會(huì)”（Near Earth Asteroid Rendezvous-shoemaker，NEAR）于1996年2月發(fā)射，目標(biāo)是探測(cè)近地小行星愛(ài)神星（433 Eros），任務(wù)攜帶了多光譜相機(jī)（MultiSpectral Imager，MSI）與與激光測(cè)高儀（NEAR Laser Rangefinder，NLR）。2000年2月NEAR探測(cè)器飛抵Eros，經(jīng)過(guò)約1年的遙感觀測(cè)共獲取了超過(guò)16萬(wàn)張影像，分辨率為1～19 m，基于MSI影像處理生成了分辨率為10 m的全球DOM以及分辨率為1 m的局部區(qū)域DOM[74]。文獻(xiàn)[75]使用立體光度法重建了Eros的三維形狀模型，并生成了地標(biāo)圖用于探測(cè)器高精度導(dǎo)航。

歐洲航天局（European Space Agency，ESA）的“羅塞塔號(hào)”（Rosetta）探測(cè)器于2004年03月發(fā)射，目標(biāo)是探測(cè)67P彗星，包括“羅塞塔”探測(cè)器與“菲萊”（Philae）著陸器，探測(cè)器上攜帶有OSIRIS相機(jī)，可以獲取0.2～20 m/像素的影像。2014年11月，“菲萊”著陸器成功登陸67P彗星。67P彗星大小為4.1 km×3.3 km×1.8 km，且形狀極不規(guī)則，基于OSIRIS窄視場(chǎng)相機(jī)獲取的影像數(shù)據(jù)制作了67P彗星的三維形狀模型，用于輔助著陸區(qū)選址與著陸導(dǎo)航[76]。

美國(guó)“黎明號(hào)”（Dawn）探測(cè)器于2007年9月發(fā)射，任務(wù)探測(cè)目標(biāo)是灶神星（Vesta）與谷神星（Ceres）。針對(duì)Vesta與Ceres的繞飛探測(cè)均采用了高軌測(cè)圖軌道（High Altitude Mapping Orbit，HAMO）與低軌測(cè)圖軌道（Low Altitude Mapping Orbit，LAMO）兩種方案。利用“黎明號(hào)”獲取的遙感影像數(shù)據(jù)制作了Vesta與Ceres的全球遙感制圖產(chǎn)品，即60 m/像素的Vesta全球DOM與93 m/像素的Vesta全球DEM以及140 m/像素的Ceres全球DOM與137 m/像素的Ceres全球DEM[77-80]。

日本“隼鳥2號(hào)”探測(cè)器于2014年12月發(fā)射，攜帶有ONC光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)、激光雷達(dá)等多個(gè)遙感觀測(cè)設(shè)備。2018年6月，“隼鳥2號(hào)”抵達(dá)龍宮（Ryugu）小行星，共獲取約1 500張遙感影像，基于立體攝影測(cè)量處理方法對(duì)龍宮小行星表面進(jìn)行三維重建并制作遙感制圖產(chǎn)品，用于采樣區(qū)選擇以及安全性評(píng)估[73]。

“奧西里斯號(hào)”探測(cè)器于2016年9月發(fā)射，是美國(guó)第一個(gè)小行星采樣返回任務(wù)，探測(cè)器于2018年12月開始繞貝努（Bennu）小行星飛行，并近距離拍攝照片。貝努小行星直徑約500 m，是對(duì)地球構(gòu)成威脅的近地小天體?！皧W西里斯號(hào)”任務(wù)團(tuán)隊(duì)利用1年多的時(shí)間獲取遙感影像，并制作了全球及采樣區(qū)的高分辨率遙感制圖產(chǎn)品[72]（見(jiàn)圖2）。

圖2 貝努小行星全球正射影像拼圖Fig.2 The global digital orthophoto mosaics of Bennu

中國(guó)的小行星探測(cè)工程正在計(jì)劃實(shí)施中。與月球、火星等較大的天體相比，小行星的形貌測(cè)繪具有更大的技術(shù)難度，主要難點(diǎn)包含不規(guī)則小行星的攝影任務(wù)規(guī)劃與全球制圖、小行星精細(xì)三維地形獲取、小行星自轉(zhuǎn)參數(shù)的精確測(cè)定等內(nèi)容。現(xiàn)階段可以充分利用國(guó)外已有小行星探測(cè)任務(wù)獲取的遙感數(shù)據(jù)開展試驗(yàn)驗(yàn)證，突破關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

4 未來(lái)技術(shù)發(fā)展分析

1）加快地外天體形貌測(cè)繪技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立與應(yīng)用推廣。當(dāng)前，由于國(guó)內(nèi)外不同深空探測(cè)任務(wù)所采用的坐標(biāo)基準(zhǔn)、處理方法、制圖方式等不同，導(dǎo)致深空測(cè)繪制圖產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)不兼容、幾何配準(zhǔn)誤差大等問(wèn)題，不便于綜合應(yīng)用多探測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)開展科學(xué)分析。許多行星科學(xué)研究人員以及深空探測(cè)工程技術(shù)人員并不精通測(cè)繪領(lǐng)域的地圖投影、坐標(biāo)系統(tǒng)等專業(yè)內(nèi)容。因此有必要在地外天體形貌測(cè)繪的數(shù)據(jù)格式、相機(jī)模型、處理方法、坐標(biāo)系統(tǒng)、制圖方法等多個(gè)方面建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并在行星科學(xué)以及深空探測(cè)工程領(lǐng)域進(jìn)行推廣應(yīng)用。

2）探索開放與共享深空探測(cè)任務(wù)原始影像數(shù)據(jù)與相關(guān)輔助數(shù)據(jù)的方法。目前，基于“嫦娥一號(hào)”“嫦娥二號(hào)”探測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)制作的月球影像圖以及DEM等制圖產(chǎn)品已經(jīng)及時(shí)向公眾發(fā)布，基于“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)的遙感制圖工作正在開展。當(dāng)前，中國(guó)月球、火星探測(cè)任務(wù)的原始數(shù)據(jù)僅向地面應(yīng)用系統(tǒng)以及科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開放。隨著中國(guó)深空探測(cè)任務(wù)的開展以及深層次行星科學(xué)研究的更大需求，將會(huì)有更多的行星遙感數(shù)據(jù)需要處理，建議進(jìn)一步開放深空探測(cè)任務(wù)原始數(shù)據(jù)，從而更廣泛地利用現(xiàn)有對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員、處理經(jīng)驗(yàn)與軟硬件設(shè)施等，也可以更好地向全世界推廣中國(guó)的深空探測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)成果，進(jìn)一步彰顯中國(guó)在深空探測(cè)領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力。

3）圍繞地外天體形貌測(cè)繪的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸開展攻關(guān)，獲取更高分辨率、更高精度的深空測(cè)繪制圖產(chǎn)品。相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)包括多探測(cè)任務(wù)遙感數(shù)據(jù)融合處理方法、全球制圖大規(guī)模連接點(diǎn)控制網(wǎng)的自動(dòng)化建立、大規(guī)模光束法平差的高效穩(wěn)健計(jì)算方法、融合激光測(cè)高與影像數(shù)據(jù)的聯(lián)合平差方法、不規(guī)則小天體的遙感制圖方法等。

4）借鑒美國(guó)在深空探測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)處理中形成的PDS+SPICE+ISIS的經(jīng)驗(yàn)，建立中國(guó)自主開放的地外天體遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)體系。由于PDS行星遙感影像格式在國(guó)內(nèi)外深空探測(cè)任務(wù)中已經(jīng)有較好的應(yīng)用基礎(chǔ)，中國(guó)深空探測(cè)任務(wù)的影像數(shù)據(jù)也采用了PDS格式。SPICE庫(kù)使得美國(guó)深空探測(cè)任務(wù)輔助數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理更加標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、系統(tǒng)化，也方便科學(xué)研究人員應(yīng)用。構(gòu)建深空探測(cè)任務(wù)輔助數(shù)據(jù)系統(tǒng)（包括文件格式以及處理函數(shù)庫(kù)）也是中國(guó)深空探測(cè)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作。另外，隨著中國(guó)深空探測(cè)任務(wù)數(shù)量逐漸增多，為了提升深空探測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的復(fù)用性，中國(guó)也很有必要構(gòu)建類似USGS ISIS的行星遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，從而更好地支撐深空探測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)處理與科學(xué)應(yīng)用。

5）充分利用對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的遙感影像處理軟件、成熟的工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)以及專業(yè)技術(shù)人員，并結(jié)合行星遙感影像的特點(diǎn)有針對(duì)性地研發(fā)行星攝影測(cè)量軟件系統(tǒng)。當(dāng)前，由于缺少坐標(biāo)基準(zhǔn)、不支持行星數(shù)據(jù)格式、無(wú)法轉(zhuǎn)換輔助數(shù)據(jù)等原因，許多對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域中的商業(yè)、開源遙感影像處理軟件還無(wú)法直接應(yīng)用于深空探測(cè)任務(wù)的數(shù)據(jù)處理。但是行星攝影測(cè)量處理的基本理論與對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域是相同的，因此可以結(jié)合行星遙感影像的特點(diǎn)，將對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的軟件系統(tǒng)進(jìn)行改造、擴(kuò)展以便應(yīng)用于行星遙感影像處理。而且對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員在遙感數(shù)據(jù)處理中積累的豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也可以應(yīng)用于深空探測(cè)任務(wù)。例如USGS普遍采用SOCET SET商業(yè)攝影測(cè)量軟件處理行星遙感數(shù)據(jù)。因此，有必要針對(duì)行星遙感影像處理開發(fā)相應(yīng)的軟件接口，在相機(jī)模型方面可以采用通用相機(jī)模型或者將衛(wèi)星影像的嚴(yán)密幾何模型轉(zhuǎn)換為有理函數(shù)模型，從而便于使用更多的對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的遙感影像處理軟件。

6）進(jìn)一步加強(qiáng)深空探測(cè)與行星科學(xué)的學(xué)科體系建設(shè)，結(jié)合深空探測(cè)重大工程任務(wù)的實(shí)施，帶動(dòng)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。行星遙感制圖產(chǎn)品是開展行星科學(xué)研究的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，建議有條件的高校開設(shè)地外天體形貌測(cè)繪的研究方向或者專業(yè)課程，有利于讓從事深空探測(cè)工程任務(wù)與行星科學(xué)研究的技術(shù)人員具備遙感數(shù)據(jù)處理與制圖產(chǎn)品應(yīng)用的專業(yè)知識(shí)，從而在開展工程論證、方案設(shè)計(jì)以及行星地質(zhì)、地貌分析等工作中更好地應(yīng)用深空測(cè)繪的制圖產(chǎn)品。

5 結(jié) 論

本文介紹了月球、火星、小行星探測(cè)任務(wù)中有代表性的形貌測(cè)繪技術(shù)及遙感制圖產(chǎn)品。中國(guó)在月球、火星探測(cè)方面取得了很大成功，已經(jīng)公開發(fā)布了月球遙感制圖產(chǎn)品。利用“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行火星全球制圖、預(yù)先開展小行星遙感制圖技術(shù)難點(diǎn)攻關(guān)是中國(guó)當(dāng)前地外天體形貌測(cè)繪的研究重點(diǎn)。結(jié)合工程任務(wù)的實(shí)施，中國(guó)在地外天體遙感數(shù)據(jù)處理方面已經(jīng)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，未來(lái)也需要進(jìn)一步做好任務(wù)原始數(shù)據(jù)（含輔助數(shù)據(jù)）的共享開放以及可復(fù)用的遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)建等基礎(chǔ)性工作，讓深空探測(cè)任務(wù)獲取的遙感數(shù)據(jù)更好地支撐工程任務(wù)與行星科學(xué)研究。